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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, mit einem feststehenden Kondensorraum, der mit einem feststehenden Kaltkopf in thermischem Kontakt steht, und mit wenigstens einem auf dem Rotor angeordneten ersten Kühlmittelkanal.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, die mit Kühlvorrichtungen zur Kühlung von rotierenden elektrischen Spulenwicklungen ausgestattet sind. Insbesondere Maschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen werden typischerweise mit Kühlvorrichtungen ausgestattet, bei denen ein Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium oder flüssiges Neon im Inneren einer zentralen Rotorwelle nach dem Thermosiphon-Prinzip zirkuliert und hierdurch Wärme aus dem Rotor abführen kann. Mit solchen Kühlsystemen können supraleitende Spulenwicklungen, insbesondere supraleitende rotierende Erregerwicklungen auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden und auf dieser Betriebstemperatur gehalten werden.
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Bei solchen bekannten Kühlvorrichtungen wird oft ein Endbereich der Rotorwelle verwendet, um von einer feststehenden Kälteanlage verflüssigtes Kühlmittel in einen Innenraum der Rotorwelle einzuspeisen, beispielsweise über ein in die Rotorwelle hineinragendes feststehendes Kühlmittelrohr. Eine derartige Kühlvorrichtung ist aus der
EP 2603968 A1 bekannt.
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Nachteilig bei einer derartigen Einspeisung über ein Wellenende ist jedoch, dass nicht bei allen elektrischen Maschinen ein freies Ende der Rotorwelle für diesen Zweck zur Verfügung steht. Ein Beispiel für eine solche Anwendung einer elektrischen Maschine ist ein Generator in einem Gas- und Dampfkraftwerk. Hier ist es wünschenswert, sowohl einen Generator als auch eine Gasturbine und eine Dampfturbine auf derselben rotierenden Welle anzuordnen. Dabei ist vorteilhaft der Generator zwischen der Gasturbine und der Dampfturbine angeordnet, so dass jeweils nur ein kurzer axialer Weg für die jeweilige Drehmomentübertragung über die Welle überbrückt werden muss. Bei einer solchen Anordnung steht kein freies Wellenende zur Einspeisung von Kühlmittel in der Nähe des Generators zur Verfügung. Eine Einspeisung von Kühlmittel in einen Hohlraum der Rotorwelle in einem mittleren axialen Bereich der Welle ist dagegen generell mit Schwierigkeiten verbunden, da durch die bei einer Rotation der Welle auftretenden Fliehkräfte ein in der Welle zu transportierendes Kühlmittel in radial außenliegende Bereiche getrieben wird. Bei einer radialen Einkopplung von Kühlmittel in die Welle muss aber gerade ein Einströmen von flüssigem Kühlmittel in einer diesen Fliehkräften entgegengesetzten Richtung erreicht werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine Kühlvorrichtung angegeben werden, über die auf einfache Weise ein Kühlmittel von einer feststehenden Kälteanlage in einen drehbar gelagerten Rotor eingespeist werden kann, ohne hierfür ein freies axiales Ende der Rotorwelle zu nutzen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit einer solchen Kühlvorrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, umfasst wenigstens einen feststehenden Kondensorraum, der mit wenigstens einem feststehenden Kaltkopf in thermischem Kontakt steht und wenigstens einen innerhalb der Rotorwelle angeordneten ersten Kühlmittelkanal aufweist. Der erste Kühlmittelkanal steht über wenigstens eine Öffnung einer Außenwand der Rotorwelle fluidisch mit dem Kondensorraum in Verbindung, und die Rotorwelle ist in ihrem Inneren mit wenigstens einer Förderschaufel zur Förderung von Kühlmittel aus einem Bereich des Kondensorraums in Richtung des ersten Kühlmittelkanals versehen.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist, dass durch die wenigstens eine Förderschaufel eine Möglichkeit geschaffen wird, kondensiertes Kühlmittel von einem radial weiter außenliegenden Bereich, in dem der feststehende Kondensorraum angeordnet ist, in einen radial innenliegenden Bereich der rotierenden Welle zu transportieren. Über den innerhalb der Welle angeordneten und mit ihr rotierenden Kühlmittelkanal kann das Kühlmittel dann weiter in das Innere des Rotors transportiert werden. Damit wird eine Möglichkeit geschaffen, kondensiertes Kühlmittel auf einem axial innenliegenden Bereich der Rotorwelle aus radial außenliegender Richtung einzukoppeln, also ohne dafür ein Wellenende zu benötigen. Die Form der wenigstens einen Förderschaufel ist dabei zweckmäßig so ausgebildet, dass sie bei einer Drehung der Rotorwelle den Transport flüssigen Kühlmittels von einem radial außenliegenden Bereich in einen radial innenliegenden Bereich der Rotorwelle unterstützt. Somit wird zumindest in dem axialen Teilbereich, in dem die Förderschaufel angeordnet ist, ein Transport von Kühlmittel entgegen der Richtung der Fliehkräfte möglich. Die wenigstens eine Förderschaufel kann zusätzlich so ausgebildet sein, dass sie auch einen Transport von kondensiertem Kühlmittel in axialer Richtung in Richtung eines Bereichs, in dem der Rotor angeordnet ist, unterstützt. Hierdurch kann zusätzlich eine Sogwirkung entstehen, die auch eine Einkopplung von Kühlmittel in radialer Richtung zusätzlich fördert. Wesentlich ist jedoch, dass die wenigstens eine Förderschaufel zumindest unter anderem einen Kühlmittelfluss aus einem radial außenliegenden Bereich in einen radial innenliegenden Bereich der Rotorwelle fördert.
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Somit bewirkt die wenigstens eine Förderschaufel, dass auf relativ einfache Weise Kühlmittel von einem feststehend angeordneten Kondensorraum in das Innere der Welle eingeleitet werden kann. Dabei wirkt die wenigstens eine Öffnung in der Außenwand der Rotorwelle als Schnittstelle zwischen einem feststehenden Kühlmittelreservoir und einem Kühlmittelkanal im Inneren der Welle. Das Kühlmittel kann dann im Inneren der Welle weitergeleitet und in die zu kühlenden Bereiche des Rotors transportiert werden. Es kann beispielsweise in diesen Bereichen verdampfen und wiederum über die Rotorwelle in der Art eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs in den Kondensorraum zurück transportiert werden. Das Kühlmittel der Kühlvorrichtung kann also in einem geschlossenen Kreislauf nach dem Prinzip der Thermosiphon-Kühlung zwischen dem Rotor und dem Kondensorraum zirkuliert werden, um Wärme vom Rotor abzuführen. Durch die Einkopplung des Kühlmittels auf das rotierende System in einen inneren Bereich der Welle werden dabei die Reibungsverluste zwischen bewegtem Kühlmittel und feststehenden Teilen sowie zwischen ortsfestem Kühlmittel und rotierenden Teilen vorteilhaft niedrig gehalten, da in radial innenliegenden Bereichen die Geschwindigkeiten der rotierenden Teile vergleichsweise niedrig sind.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, und wenigstens eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auf. Die Vorteile einer solchen elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Zweckmäßig weist die elektrische Maschine eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung auf, die über die Kühlvorrichtung gekühlt werden kann. Diese Spulenwicklung kann eine supraleitende Spulenwicklung, insbesondere eine hochtemperatursupraleitende Spulenwicklung sein. Bei der elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um einen Generator oder um einen Motor handeln.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Kühlvorrichtung vorteilhaft mit den Merkmalen der elektrischen Maschine kombiniert werden.
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Der erste Kühlmittelkanal kann zumindest in einem Teilbereich als zylindrischer Hohlraum im radialen Zentrum der Rotorwelle ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform kann kondensiertes Kühlmittel vorteilhaft mit besonders niedrigen Reibungsverlusten im Inneren der sich drehenden Welle transportiert werden. Besonders vorteilhaft kann sich der erste Kühlmittelkanal von einem axialen Bereich der wenigstens einen Förderschaufel bis zu einem axialen Bereich des Rotors erstrecken, so dass Kühlmittel hierdurch in axialer Richtung bis ins Innere des eigentlichen Rotors transportiert werden kann. Im axialen Bereich des Rotors kann das kondensierte Kühlmittel dann unterstützt durch die bei der Drehung auftretenden Fliehkräfte in radial weiter außen gelegene, zu kühlende Bereiche des Rotors transportiert werden. Von dort kann es beispielsweise ebenfalls über das Innere der Rotorwelle in Gasform wieder zurück in den Kondensorraum geleitet werden.
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Hierzu kann die Kühlvorrichtung wenigstens einen innerhalb der Rotorwelle angeordneten zweiten Kühlmittelkanal zum Rücktransport von gasförmigem Kühlmittel in den Kondensorraum aufweisen. Ein solcher getrennter Kühlmittelkanal für den Rücktransport von gasförmigem Kühlmittel ist besonders vorteilhaft, da dann auf einfachere und effektivere Weise ein geschlossener Kühlmittelkreislauf ausgebildet werden kann, als wenn kondensiertes und gasförmiges Kühlmittel in demselben Kanal in entgegengesetzter Richtung strömen würden. Insbesondere kann durch eine solche im Wesentlichen getrennte Führung der beiden Kühlmittelphasen eine effektivere Förderung des flüssigen Kühlmittels von einem Bereich des Kondensorraums in einen inneren Bereich des Rotors durch die Förderschaufeln erreicht werden.
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Der wenigstens eine zweite Kühlmittelkanal kann radial weiter außen angeordnet sein als der erste Kühlmittelkanal. Eine solche Anordnung mit radial innenliegendem Kanal für den Transport von flüssigem Kühlmittel und radial außenliegendem Kanal für den Transport von gasförmigem Kühlmittel ist vorteilhaft, um den Stromfluss des Kühlmittels durch die Einwirkung der Fliehkräfte bei einer Drehung des Rotors zu unterstützen. Dabei kann beispielsweise der zweite Kühlmittelkanal den ersten Kühlmittelkanal ringförmig umgeben. Alternativ können auch beispielsweise mehrere zweite Kühlmittelkanäle im Inneren der Rotorwelle angeordnet sein, die parallel zu dem ersten Kühlmittelkanal geführt werden. Alternativ zu den Ausführungsformen mit getrennten Kanälen für Hin- und Rücktransport ist es jedoch generell auch möglich, nur einen zentralen Kühlmittelkanal vorzusehen, in dem Hin- und Rücktransport des Kühlmittels gleichzeitig ablaufen können.
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Alternativ zu dem beschriebenen Kreislauf zwischen flüssigem und gasförmigem Kühlmittel kann bei einem alternativen Kreislauf auch ein überkritischer Zustand des Kühlmittels durchlaufen werden. Dies kann insbesondere dann eintreten, wenn das Kühlmittel in radial außenliegenden Bereichen des Rotors durch die Rotationskräfte unter Druck gesetzt wird und hierdurch in einen überkritischen Zustand gerät, bei dem der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas nicht mehr vorliegt. Dann kann ein ähnlicher Kreislauf ablaufen, der im Bereich des überkritischen Kühlmittels durch temperaturbedingte Dichteunterschiede angetrieben wird. Es kann also ein Kreislauf zwischen kondensiertem Kühlmittel bei niedrigerem Druck, überkritischem Kühlmittel bei hohem Druck und gasförmigem Kühlmittel bei niedrigerem Druck durchlaufen werden, wobei das gasförmige Kühlmittel wiederum im Kondensorraum zu unterkritischem flüssigem Kühlmittel kondensiert. Bei einem solchen Durchlauf des überkritischen Bereichs des Phasendiagramms des Kühlmittels kommt es im niedrigeren Druckbereich immer wieder zu einer Kondensation des Kühlmittels, aber trotzdem nie zu einer richtigen Verdampfung, da der Übergang von flüssig zu gasförmig indirekt über den überkritischen Bereich stattfindet.
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Der erste Kühlmittelkanal kann fluidisch mit wenigstens einer auf dem Rotor angeordneten Kühlrohrschleife verbunden sein, die zumindest in einem Teilbereich thermisch an eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung angekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform muss also das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkanals nicht direkt an die zu entwärmenden Komponenten des Rotors gekoppelt sein, sondern es kann über eine solche Kühlrohrschleife zu einem Bereich des Rotors transportiert werden, in dem die zu entwärmende elektrische Spulenwicklung angeordnet ist. Beispielsweise kann sich der erste Kühlmittelkanal in einem axialen Endbereich des Rotors befinden, und die Kühlrohrschleife kann dazu dienen, das Kühlmittel in andere, vom ersten Kühlmittelkanal entferntere axiale Bereiche zu leiten. Zusätzlich kann die Kühlrohrschleife vorteilhaft dazu ausgelegt sein, um Kühlmittel in vom ersten Kühlmittelkanal entfernte radiale Bereiche zu leiten.
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Beispielsweise kann die Kühlrohrschleife dazu ausgebildet sein, das verdichtete Kühlmittel mittels bei der Rotation auftretender Fliehkräfte in radial weiter außenliegende Bereiche des Rotors zu transportieren. Durch die sich ausbildenden Dichte-, Druck- und Temperaturverhältnisse kann das in diesem radial außenliegenden Bereich verdampfte gasförmige Kühlmittel oder das in diesem Bereich erwärmte und ausgedehnte überkritische Kühlmittel wieder zurück zum radial weiter innenliegenden Bereich des ersten Kühlmittelkanals transportiert werden.
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Zur Ausbildung eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs ist es allgemein vorteilhaft, wenn die genannte Kühlrohrschleife einen im Mittel radial außenliegenden Abschnitt zum Transport von kaltem Kühlmittel in den zu kühlenden Bereich und einen in Mittel radial weiter innenliegenden Abschnitt zum Transport von erwärmtem Kühlmittel zurück zum ersten Kühlmittelkanal aufweist.
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Besonders vorteilhaft kann die Kühlvorrichtung mehrere Kühlrohrschleifen aufweisen, um verschiedene Bereiche des Rotors zu kühlen. Insbesondere können solche Kühlrohrschleifen in Umfangsrichtung an verschiedenen Stellen des ersten Kühlmittelkanals angeschlossen sein, um damit Bereiche in verschiedenen Umfangssegmenten des Rotors zu kühlen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Mehrzahl von Kühlrohrschleifen zur Kühlung unterschiedlicher axialer und/oder radialer Bereiche des Rotors vorgesehen sein.
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Die Rotorwelle kann in einem axialen Teilbereich auf kryogene Temperaturen kühlbar sein. Hierzu kann die Rotorwelle vorteilhaft in mehrere axiale Bereiche unterteilt sein, die thermisch gegeneinander isoliert sein können. Beispielsweise kann sich die Rotorwelle in einem ersten axialen Bereich bei einem Betrieb auf einer warmen Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur befinden. Daran angrenzend kann eine erste Wärmeisolation angeordnet sein, die diesen axialen Bereich von einem zweiten axialen Bereich thermisch trennt. Dieser zweite axiale Teilbereich kann dann bei einem Betrieb auf einer kryogenen Temperatur vorliegen. Beispielsweise kann ein vollständiger Querschnitt der Rotorwelle in diesem zweiten axialen Bereich auf einer kryogenen Temperatur vorliegen. In diesem Teilbereich kann die Rotorwelle in direktem Kontakt mit dem kondensierten Kühlmittel stehen. Beispielweise kann die Rotorwelle in diesem zweiten Teilbereich die wenigstens eine Förderschaufel aufweisen, die in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel steht. In daran angrenzenden axialen Teilbereichen kann die Rotorwelle wieder als warme Welle vorliegen, was wiederum durch eine Wärmeisolation hin zum zweiten axialen Teilbereich erreicht werden kann. Dabei können sowohl der kalte axiale Teilbereich als auch die Wärmeisolationen mechanisch fest genug ausgeführt werden, um eine stabile Übertragung von Drehmomenten über die Rotorwelle zwischen diesen verschiedenen axialen Bereichen zu ermöglichen. Die axialen Teilbereiche mit konstanter Temperatur können z.B. aus kaltzähem Edelstahl gefertigt sein. Die Wärmeisolation kann aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), beispielsweise glasfaserverstärktem Epoxid, gefertigt sein. Vorteilhaft ist der Querschnitt der Isolationsbereiche nicht massiv, sondern ringförmig, damit das erforderliche Drehmoment über einen relativ geringen Materialquerschnitt übertragen werden kann, wodurch der Wärmeeintrag minimiert wird.
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Erste und zweite Kühlmittelkanäle können allgemein entweder innerhalb einer warmen oder innerhalb einer kalten Außenwand der Welle geführt werden. Im ersten Fall können die Kühlmittelkanäle vorteilhaft durch dazwischenliegende evakuierte Räume gegen die Außenwand der Rotorwelle thermisch isoliert sein.
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Die Kühlvorrichtung kann einen ringförmigen Pufferraum aufweisen, der im Bereich der wenigstens einen Öffnung der Außenwand die Rotorwelle umschließt. Vorteilhaft kann der ringförmige Pufferraum geodätisch unterhalb des Kondensorraums angeordnet sein, so dass am Kaltkopf kondensierendes Kühlmittel vom Kondensorraum aus in den Pufferraum einfließen kann. Durch die ringförmige Anordnung des Pufferraums um die Rotorwelle kann dann eine Einkopplung des flüssigen Kühlmittels aus diesem Pufferraum in die Welle über die Öffnungen der Außenwand erreicht werden. Diese Öffnungen befinden sich dann vorteilhaft im axialen Bereich des Pufferraums. Der ringförmige Pufferraum kann sowohl von feststehenden als auch von rotierenden Wänden begrenzt sein. Vorteilhaft kann in einem radial außenliegenden Bereich des Pufferraums eine feststehende Wand diesen von der angrenzenden Umgebung trennen. In Richtung des Kondensorraums kann der Pufferraum geöffnet sein und auf dieser radial außenliegenden Seite in den Kondensorraum übergehen. Er kann aber auch über eine trichterförmige Öffnung und/oder über Flüssigkeitsrohre mit diesem fluidisch gekoppelt sein.
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In einem radial innenliegenden Bereich kann der Pufferraum vorteilhaft von einer Außenwand der Rotorwelle begrenzt sein. Der Übergang zwischen rotierender Begrenzungswand und feststehender Begrenzungswand des Pufferraums kann allgemein vorteilhaft durch Drehdichtungen realisiert sein. Diese Drehdichtungen sind dabei zweckmäßig zumindest auf einer dem Pufferraum zugewandten Seite für einen Betrieb bei kryogenen Temperaturen und/oder zur Abdichtung gegen kryogene Flüssigkeiten ausgelegt. Auf einer dem Pufferraum abgewandten Seite der Drehdichtung kann sich dabei beispielsweise ein mit Kühlmittel gefüllter Gasraum oder ein evakuierter Raum befinden. Eine solche Drehdichtung kann auch vorteilhaft als zweistufige Dichtung vorliegen, mit einer ersten Stufe zur Abdichtung eines rotierenden Teils gegen ein festes Teil zwischen einem Raum mit flüssigem Kühlmittel und einem Raum mit gasförmigem Kühlmittel und einer zweiten Stufe zur Abdichtung rotierender und fester Teile zwischen einem Raum mit gasförmigem Kühlmittel und einem evakuierten Raum. Bei einer solchen zweistufen Ausführung muss nur die innere Stufe für einen Betrieb bei kryogenen Temperatur ausgelegt sein, diese muss dann allerdings nicht vakuumdicht, sondern nur flüssigkeitsdicht ausgeführt sein. Die äußere Dichtung muss zwar vakuumdicht ausgeführt sein, aber nicht für den Betrieb bei kryogenen Temperaturen ausgelegt sein.
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Die Kühlvorrichtung kann einen fluidisch mit dem Kondensorraum verbundenen Gasraum umfassen, der in axialer Richtung neben dem Pufferraum angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform mit wenigstens einem separaten zweiten Kühlmittelkanal für den Rücktransport von gasförmigem Kühlmittel kann dieser zweite Kühlmittelkanal zweckmäßig in diesen Gasraum münden. Der Gasraum ist dann vorteilhaft fluidisch mit dem Kondensorraum verbunden, so dass verdampftes Kühlmittel über den Gasraum zurück in den Kondensorraum transportiert werden kann, wo das Gas wieder kondensiert und sich der Kühlkreislauf schließt. Der Gasraum kann beispielsweise geodätisch oberhalb des benachbarten Pufferraums in den Kondensorraum übergehen, so dass zwar gasförmiges Kühlmittel zwischen Gasraum und Kondensorraum übergehen kann, aber am Kaltkopf verflüssigtes Kühlmittel von dort im Wesentlichen in den Pufferraum und nicht in den Gasraum gelangt.
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Der Gasraum kann beispielsweise in einem geodätisch untenliegenden Bereich mit einer Heizvorrichtung versehen sein. Dies kann vorteilhaft sein, um eventuell vorhandenes flüssiges Kühlmittel aus dem Gasraum zu entfernen. Flüssigkeit kann sich beispielsweise dann im Gasraum ansammeln, wenn das Kühlsystem bei einer geringeren Wärmelast betrieben wird als die Wärmelast, für die es ausgelegt ist. Dann kann im Kühlmittelkreislauf unverdampftes Kühlmittel zusammen mit dem gasförmigen Kühlmittel in den Gasraum transportiert werden. Eine zu große Ansammlung von flüssigem Kühlmittel im Gasraum kann jedoch nachteilig sein, da dann der Pufferraum sich leeren und der Kühlmittelfluss unterbrochen werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit, um eine ungünstige Ansammlung von flüssigem Kühlmittel im Gasraum zu verhindern, ist eine Anordnung der zweiten Kühlmittelkanäle so, dass sie direkt in den Pufferraum und nicht in den Gasraum münden. Wird dann unverdampftes Kühlmittel mit zurück transportiert, sammelt es sich zwangsläufig im Pufferraum und nicht im Gasraum an. Das gasförmige Kühlmittel entweicht dann in einen oberen Bereich des Pufferraums und von dort in den Kondensorraum und/oder in den Gasraum. Es sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen gar kein separater Gasraum vorgesehen ist.
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Die feststehenden Teile der Kühlvorrichtung können von einem äußeren Vakuumgehäuse umgeben sein. Insbesondere kann die Kombination von Kondensorraum, Pufferraum und/oder Gasraum als Ganzes von einem äußeren Vakuumgehäuse umgeben sein. Dies ist vorteilhaft, um das im Inneren dieser Räume vorliegende Kühlmittel thermisch gegen die warme Umgebung zu isolieren und auf kryogenen Temperaturen zu halten. Der Vakuumraum kann auf einer radial innenliegenden Seite von der Rotorwelle begrenzt sein, um eine besonders gute thermische Kapselung der innenliegenden Räume zu erreichen. Bei einer solchen Ausführungsform muss wenigstens ein Teil der diesen axialen Bereich der Welle umschließenden Dichtungen vakuumdicht ausgeführt sein.
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Das Kühlmittel kann vorteilhaft Stickstoff, Helium, Wasserstoff oder Neon umfassen. Mit den genannten Stoffen kann mit verschiedenen Druckbereichen ein relativ großer Bereich an kryogenen Betriebstemperaturen zugänglich gemacht werden.
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Die Kühlvorrichtung kann mehrere Förderschaufeln aufweisen, die jeweils als Querschnittssegmente der Rotorwelle ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann die Rotorwelle in einem gegebenen axialen Bereich eine Querschnittsgeometrie aufweisen, die mehrere Segmente enthält, von denen jedes die Funktion einer Förderschaufel erfüllt. Diese Segmente können vorteilhaft radial um einen zentralen Hohlraum angeordnet sein, der in den ersten Kühlmittelkanal übergeht und über den flüssiges Kühlmittel axial in den ersten Kühlmittelkanal gelangen kann.
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Die Querschnittssegmente sind vorteilhaft so ausgeformt, dass sie bei einer Drehung der Rotorwelle einen Fluss von Kühlmittel von einem radial außenliegenden Bereich in den zentralen Hohlraum unterstützen. Hierzu können die Segmente beispielsweise zu einem außenliegenden Bereich hin spitz zulaufend verjüngt sein und/oder sie können eine S-förmig geschwungene innere Begrenzungsfläche aufweisen.
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Die Öffnungen in der Außenwand der Rotorwelle können vorteilhaft als schlitzförmige Öffnungen, insbesondere im axialen Bereich der wenigstens einen Förderschaufel angeordnet sein. Besonders vorteilhaft können mehrere solcher schlitzartiger Öffnungen vorliegen. Bei einer Ausführungsform mit schaufelartigen Querschnittssegmenten können sich diese Schlitze axial zwischen diesen Querschnittssegmenten erstrecken, um Kühlmittel möglichst effektiv in das Innere der Welle einzukoppeln. Dabei können sich die schlitzförmigen Öffnungen entweder gerade in axialer Richtung erstrecken, oder sie können sich in spiralartiger Struktur gewendelt über die Außenwand der Rotorwelle erstrecken.
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Die Zahl der Öffnungen der Rotorwelle kann für eine gegebene axiale Position vorteilhaft entweder 1, 2, 3 oder 4 betragen. Schon eine solche Öffnung kann ausreichend sein, um über eine ständige Drehung der Rotorwelle Kühlmittel in dessen Inneres einzukoppeln.
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Vorteilhaft können sich alle Öffnungen während des Betriebs unterhalb des flüssigen Kühlmittelniveaus befinden.
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Die Rotorwelle kann in einem axialen Bereich, der die wenigstens eine Förderschaufel enthält, von einer rotationssymmetrischen äußeren Begrenzungsform abweichen. Insbesondere können sich konisch verjüngte Schaufelenden radial über eine in anderen axialen Bereichen vorliegende rotationssymmetrische äußere Begrenzungsform hinaus erstrecken. Dies kann vorteilhaft sein, um Kühlmittel aus einem radial weiter außenliegenden Bereich besser zu erfassen und eine Strömung hin zu einem inneren Hohlraum zwischen den Förderschaufeln zu erzeugen. Allerdings sollten die Schaufelenden nicht zu weit über eine rotationssymmetrische äußere Begrenzungsform hinaus ragen, um andererseits Reibungsverluste zwischen Kühlmittel und Rotorwelle möglichst niedrig zu halten. Die optimale Geometrie für eine bestimmte Anwendung hängt dabei von der erwünschten Drehzahl und dem benötigten Kühlmittelstrom bzw. der benötigten Kühlleistung ab.
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Die wenigstens eine Förderschaufel kann innerhalb der Rotorwelle als in axialer Richtung spiralartig gewundene Struktur ausgebildet sein. Insbesondere kann eine solche spiralartig gewundene Struktur auch aus mehreren Förderschaufeln, insbesondere aus einzelnen Querschnittssegmenten der Rotorwelle gebildet sein. Eine spiralartig gewundene Anordnung der wenigstens einen Förderschaufel kann vorteilhaft sein, um zusätzlich zu einer Förderwirkung in radialer Richtung auch eine Förderung von Kühlmittel in axialer Richtung zu bewirken. Bei einer Drehung der Rotorwelle kann so beispielsweise ein axialer Sog vom Ort der Einkopplung des Kühlmittels in die Welle in Richtung des Rotors ausgebildet werden.
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Der erste Kühlmittelkanal kann einen axialen Bereich aufweisen, in dem er sich in Richtung des Rotors konisch verjüngt. Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um Kühlmittel von einem größeren radialen Querschnitt aus in einen relativ schmalen ersten Kühlmittelkanal zu leiten, um den herum dann zweite Kühlmittelkanäle zum Rücktransport von verdampftem Kühlmittel angeordnet sein können.
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Alternativ zu den Ausführungsformen, bei denen sich ein einziger geschlossener Kühlmittelkreislauf zwischen Kondensorraum und den zu kühlenden Bereichen des Rotors erstreckt, kann die Kühlvorrichtung auch mehrere fluidisch getrennte Kühlkreisläufe umfassen. Dazu kann beispielsweise eine auf dem Rotor angeordnete Kühlrohrschleife fluidisch von den ersten und zweiten Kühlmittelkanälen getrennt, aber thermisch über gut wärmeleitende Trennwände mit diesen verbunden sein. Für diese beiden Kühlkreisläufe kann beispielsweise das gleiche Kühlmittel gewählt werden, wobei unter Umständen in den beiden Kühlkreisläufen ein deutlich unterschiedlicher Druck vorliegen kann. Beispielsweise kann im zweiten, auf dem Rotor angeordneten Kühlkreislauf ein höherer durchschnittlicher Druck vorliegen, wodurch ein Betrieb bei vergleichsweise höheren Temperaturen bewirkt wird. Es ist zum Beispiel auch möglich, dass im ersten, mit dem Kondensorraum verbundenen Kühlkreislauf ein Kreislauf zwischen flüssiger Phase und Gasphase abläuft, während im zweiten Kühlkreislauf auf dem Rotor ein Kreislauf zwischen verschieden dichten Zuständen eines überkritischen Kühlmittels abläuft. Es können auch in den beiden Kühlkreisläufen unterschiedliche Kühlmittel zum Einsatz kommen.
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Die elektrische Maschine kann wenigstens eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung und wenigstens zwei Stromzuführungen zur Verbindung der Spulenwicklung mit einem äußeren Stromkreis umfassen, wobei die Stromzuführungen in einem ersten axialen Endbereich des Rotors angeordnet sind und der erste Kühlmittelkanal in diesem ersten axialen Endbereich des Rotors angeordnet ist. Eine Einspeisung des Kühlmittels auf der axialen Seite der Stromzuführungen kann vorteilhaft sein, um die in diesem Bereich durch die Stromzuführungen zusätzlich erzeugte und/oder eingekoppelte Wärme abzuführen.
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Die elektrische Maschine kann zwei erfindungsgemäße Kühlvorrichtungen umfassen. Dies kann vorteilhaft sein, um die gesamte Kühlleistung des Systems zu erhöhen, und/oder um Redundanz beim Ausfall eines der Kühlsysteme zu schaffen. Eine solche Ausgestaltung kann auch schon aus rein geometrischen Erwägungen sinnvoll sein, beispielsweise um Kühlmittel von zwei axialen Endbereichen des Rotors aus einzuspeisen.
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Bei einer elektrischen Maschine mit zwei Kühlvorrichtungen können diese fluidisch getrennt sein und unabhängig voneinander arbeiten. Vorteilhaft kann dann bei Ausfall einer Kühlvorrichtung eine andere die vollständige Kühlung der elektrischen Maschine übernehmen.
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Bei einer elektrischen Maschine mit zwei Kühlvorrichtungen können diese unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise können sie für unterschiedliche Kühlleistungen ausgebildet sein. Bei einem Rotor, bei dem nur auf einer axialen Seite Stromzuführungen für die elektrische Spulenwicklung angeordnet sind, kann es vorteilhaft sein, auf dieser axialen Seite eine Kühlvorrichtung mit einer höheren Kühlleistung vorzusehen als im gegenüberliegenden axialen Bereich.
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Die Kühlvorrichtungen, insbesondere die Kühlrohrschleifen der einzelnen Kühlvorrichtungen können in ihrer axialen Ausdehnung überlappen, so dass zumindest einige axiale Bereiche des Rotors redundant durch wenigstens zwei Kühlvorrichtungen gekühlt werden können.
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Alternativ können in einer elektrischen Maschine zwei oder mehr Kühlvorrichtungen fluidisch gekoppelt sein, insbesondere können sie innerhalb des Rotors fluidisch gekoppelt sein. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise sinnvoll sein, um beide axialen Endbereiche eines Rotors zur Einkopplung von Kühlmittel zu nutzen, andererseits aber die Anzahl der auf dem Rotor angeordneten Kühlrohrschleifen gering zu halten.
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Bei einer elektrischen Spulenwicklung, die ausgedehnte radiale Spulenabschnitte in beiden axialen Endbereichen des Rotors aufweist, kann es vorteilhaft sein Kühlvorrichtungen auf beiden axialen Seiten des Rotors anzubringen, deren Kühlrohrschleifen sich zumindest in einem Teilbereich radial erstrecken und dort thermisch an benachbart verlaufende radiale Spulenabschnitte angekoppelt sind. Eine solche Ausführungsform kann besonders bei solchen elektrischen Spulenwicklungen vorteilhaft sein, die zur Ausbildung eines zweipoligen Magnetfeldes vorgesehen ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor und eine Kühlvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
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2 einen schematischen Querschnitt durch die Förderschaufeln einer Rotorwelle nach dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
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3 einen schematischen Querschnitt durch die Förderschaufeln einer Rotorwelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
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4 einen schematischen Querschnitt durch die Förderschaufeln einer Rotorwelle nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt und
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5 einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor einer elektrischen Maschine nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt.
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1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil eines Rotors 3 einer elektrischen Maschine und einer Kühlvorrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Rotor 3 wird von einer Rotorwelle 7 getragen und rotiert zusammen mit dieser um eine zentrale Rotationsachse 5. Gezeigt ist hier ein achsnaher Bereich des Rotors 3 im Bereich eines der stirnseitigen Enden des Rotors. Im Inneren des Rotors 3 ist weiterhin eine hier nicht gezeigte elektrische Spulenwicklung angeordnet, die in einem radial weiter außenliegenden Bereich angeordnet ist und die in diesem Beispiel eine Wicklung mit supraleitendem Leitermaterial ist. Die supraleitende Wicklung wird durch die Kühlvorrichtung 1 auf eine Betriebstemperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt. Zur Aufrechterhaltung dieser Betriebstemperatur ist ein ständiger Abtransport von Wärme aus dem Bereich der Spulenwicklung nötig.
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Die Kühlvorrichtung 1 weist einen feststehenden Bereich, einen mit dem Rotor 3 rotierenden Bereich und eine Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung von Kühlmittel zwischen diesen beiden Bereichen auf. Als Kühlmittel ist in diesem Beispiel Neon vorgesehen, das in den Zeichnungen allgemein mit gNe für gasförmiges Neon und lNe für flüssiges Neon bezeichnet ist. Im feststehenden Bereich weist die Kühlvorrichtung 1 zwei Kaltköpfe 11 zweier Kältemaschinen und einen thermisch daran angekoppelten Kondensorraum 9 auf, in dem gasförmiges Kühlmittel gNe durch die Einwirkung des Kaltkopfs 11 kondensieren kann. Dieses Kühlmittel ist fluidisch mit den rotierenden Bereichen der Kühlvorrichtung verbunden. Dazu ist geodätisch unterhalb des Kondensorraums 9 ein die Rotorwelle 7 ringförmig umschließender Pufferraum 29 angeordnet, in den flüssiges Kühlmittel lNe aus dem Kondensorraum 9 einfließen kann. Die Verbindung kann wie hier gezeigt beispielsweise durch eine trichterförmige Öffnung gegeben sein, es können aber beispielsweise alternativ auch engere Öffnungen über Verbindungsrohre und/oder einstellbare Durchflussventile vorliegen. Durch den Pufferraum 29 wird erreicht, dass die Rotorwelle 7 ringförmig von einem flüssigen Kühlmittelreservoir umgeben wird, innerhalb dessen die Rotorwelle sich dreht. Der Pufferraum 29 wird dabei in seinen radial außenliegenden Bereichen durch feststehende, kalte Begrenzungswände und in seinen radial innenliegenden Bereichen durch die rotierende Rotorwelle 7 sowie daran angrenzende Verbindungsteile begrenzt. Zwischen den rotierenden und feststehenden Bereichen sind Drehdichtungen 32, 32a angeordnet, wobei im Beispiel der 1 fünf ringförmige Drehdichtungen vorgesehen sind. Dabei kennzeichnet das Bezugszeichen 32 die beiden Drehdichtungen, die in äußeren, warmen Wandbereichen vorliegen, und das Bezugszeichen 32a kennzeichnet die drei Drehdichtungen, die in inneren, kalten Wandbereichen vorliegen. Die äußeren Drehdichtungen 32 dichten dabei eine Vakuumhülle 36 gegen die drehbare Rotorwelle ab, wobei die Vakuumhülle 36 sowohl den Kondensorraum 9, als auch den Pufferraum 29 und einen axial neben diesen beiden Räumen angeordneten Gasraum 31 insgesamt umschließt. Durch die Vakuumhülle 36 und den zwischen den Wänden liegenden evakuierten Bereich V sind diese mit kaltem Kühlmittel gefüllten Räume thermisch gegen die warme Umgebung isoliert.
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Die Rotorwelle 7 weist in dem an den Pufferraum 29 und den Gasraum 31 angrenzenden Bereich einen kalten axialen Bereich 20b auf, in dem das Material der Rotorwelle selbst durch den direkten Kontakt mit dem Kühlmittel auf eine kryogene Temperatur gekühlt ist. Im gezeigten Beispiel ist allerdings nicht die ganze Rotorwelle auf diesen kalten Temperaturbereich gekühlt, sondern es liegen weitere axiale Bereich 20a und 20d vor, in denen das Material der Rotorwelle auf einer warmen Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur liegt. Der benachbarte erste axiale Bereich 20a ist dabei auf der vom Rotor 3 abgewandten Seite des kalten, zweiten axialen Bereichs 20b angeordnet. Auf der gegenüberliegenden, also dem Rotor zugewandten Seite, grenzt an den zweiten axialen Bereich 20b ein dritter axialer Bereich 20c an, in dem ein Außenbereich der Rotorwelle 7 sich im Betrieb auf einem warmen Temperaturniveau befindet, in einem radial inneren Bereich aber einzelne gekühlte Bauteile vorliegen. In diesem dritten axialen Bereich beginnt der eigentliche Rotor 3. Schließlich ist in einem daran angrenzenden vierten axialen Bereich 20d, der im Inneren des Rotors 3 beginnt, wieder die ganze Welle auf einem warmen Temperaturniveau. Dabei sind zwischen den kalten und warmen Teilbereichen der Rotorwelle 7 jeweils Wärmeisolationen 34 aus thermisch schlecht leitenden Materialien, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) angeordnet.
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Das im Pufferraum 29 vorliegende flüssige Kühlmittel lNe ist fluidisch über Öffnungen 17 in der Außenwand 15 der Rotorwelle 7 mit dem Inneren der Rotorwelle 7 verbunden. Die Rotorwelle 7 weist einen innenliegenden ersten Kühlmittelkanal 13 zum Transport von flüssigem Kühlmittel in den Bereich des Rotors 3 auf, der sich zwischen dem zweiten axialen Bereich 20b und dem dritten axialen Bereich 20c der Rotorwelle 7 erstreckt. Dieser erste Kühlmittelkanal 13 ist auf einem Teil seiner Länge als hohlzylindrischer Raum ausgebildet, in den flüssiges Kühlmittel lNe vom Pufferraum 29 aus entlang der Flussrichtungen 21 einströmt. Im Inneren des Rotors 3 ist dieser erste Kühlmittelkanal 13 fluidisch mit zwei Kühlrohrschleifen 25 verbunden, die jeweils Kühlmittel in einem insgesamt geschlossenen Kreislauf zu radial weiter außenliegenden Bereichen in der Nähe der elektrischen Spulenwicklung führen, um diese zu kühlen. Diese Bewegung von flüssigem Kühlmittel nach außen wird dabei bei einer Drehung des Rotors 3 durch die Wirkung der Zentrifugalkräfte unterstützt. In 1 ist dabei nicht die ganze Kühlrohrschleife gezeigt, sondern nur der erste Teil der sich vom ersten Kühlmittelkanal aus radial erstreckenden Abschnitte. Von den Kühlrohrschleifen 25 kann jeweils insgesamt, beispielsweise in den radial außenliegenden Bereichen, auch ein relativ großer axialer Bereich des Rotors 3 abgedeckt werden, der in diesem Beispiel etwa der axialen Ausdehnung der Spulenwicklung entsprechen soll. Der Rücktransport von in den zu kühlenden Bereichen verdampftem Kühlmittel gNe sowie von eventuell zurückbleibendem flüssigem Kühlmittel erfolgt über einen separaten Teil der Kühlrohrschleife und einen zweiten Kühlmittelkanal 14, der wiederum im Inneren der Rotorwelle 7 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel sind zwei Kühlmittelkanäle 14 vorhanden, die jeweils an eine der beiden Kühlrohrschleifen 25 angeschlossen sind, und im Inneren der Welle 7 beide radial weiter außen angeordnet sind als der erste Kühlmittelkanal 13. Über die zweiten Kühlmittelkanäle 14 kann das gasförmige Kühlmittel gNe in den Gasraum 31 und von dort aus zurück in den Kondensorraum 9 gelangen, wo es wiederum an den Kaltköpfen 11 kondensiert und der Kreislauf sich schließt. Der erste Kühlmittelkanal 13 und die zweiten Kühlmittelkanäle 14 sind im dritten Teilbereich 20c der Rotorwelle 7 von einem Vakuumraum V umgeben und hierdurch gegen den außenliegenden, warmen Wandbereich der Rotorwelle 7 thermisch isoliert.
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Die Einkopplung von flüssigem Kühlmittel lNe aus dem Pufferraum 29 in die Rotorwelle 7 findet in einem Teilbereich 20e des zweiten axialen Bereichs 20b statt. In diesem Teilbereich weist die Rotorwelle 7 Öffnungen 17 zur Einkopplung von Kühlmittel lNe und Förderschaufeln 19 zum Transport von Kühlmittel in einen radial weiter innenliegenden Bereich auf. Die Förderschaufeln 19 sind in 1 nicht dargestellt, da sie sich neben der in 1 gezeigten Schnittebene befinden. In 2 ist ein schematischer Querschnitt im Bereich der Förderschaufeln 19 gezeigt, der der mit II gekennzeichneten Schnittebene entspricht. Gezeigt sind zwei Förderschaufeln 19, zwischen denen Kühlmittel durch zwei Öffnungen 17 in einen inneren Bereich der Rotorwelle 7 gelangen kann. Die Schaufeln sind in diesem Beispiel so geformt, dass ihre äußere Begrenzungsform zwischen den Öffnungen 17 etwa einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Hierdurch werden Reibungsverluste zwischen der sich drehenden Rotorwelle 7 und dem diese umgebenden Kühlmittel lNe weitgehend minimiert. Durch die asymmetrische Querschnittsform der Schaufeln mit jeweils einem sich zur Öffnung 17 hin spitz verjüngenden Endbereich 19a kann bei einer Drehung der Rotorwelle in Richtung der dargestellten Pfeile ein Transport des Kühlmittels ins Innere der Rotorwelle 7 unterstützt werden. Dabei verbreitert sich im gezeigten Beispiel der durch die Öffnungen 17 begrenzte Hohlraum zum Zentrum der Rotorwelle 7 hin. Die Schnittebene der 1 zwischen den beiden Förderschaufeln 19 ist im Übrigen in 2 schematisch dargestellt und mit I bezeichnet. Wie im Längsschnitt der 1 zu erkennen, mündet der die Förderschaufeln 19 aufweisende Bereich 20e der Rotorwelle in den ersten Kühlmittelkanal 13, wobei sich dieser in einem Zwischenbereich in Richtung des Rotors konisch verjüngt.
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3 zeigt einen schematischen Querschnitt der Rotorwelle im Bereich der Förderschaufeln 19 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier sind zwei Förderschaufeln 19 gezeigt, zwischen denen in Umfangsrichtung zwei Öffnungen 17 liegen. Auch in diesem zweiten Beispiel weist die äußere Begrenzungsform einen etwa kreisförmigen Querschnitt auf, so dass es bei Drehung der Rotorwelle 7 nur zu geringen Reibungsverlusten kommt. In diesem Beispiel ist zwischen den beiden gegenüberliegenden Öffnungen 17 ein S-förmig geschwungener Kanal von etwa gleichbleibender Breite gebildet. Durch die S-förmige Kontur der inneren Begrenzungsfläche der Förderschaufeln 19 wird dabei wiederum bei einer Drehung entlang der in 3 dargestellten Pfeile eine Einkopplung von Kühlmittel in das Innere dieses Kanals erleichtert.
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4 zeigt schematisch eine weitere alternative Querschnittsform der Rotorwelle im Bereich der Förderschaufeln 19. In diesem Beispiel weicht die äußere Begrenzungsform des Querschnitts von einer ideal kreisförmigen Geometrie ab, wobei die spitz zulaufenden Endbereiche der Förderschaufeln über eine solche gedachte Begrenzungsform hinausragen. Hierdurch wird bei einer Drehung der Rotorwelle 7 entsprechend der gezeigten Pfeile eine Einkopplung der Kühlflüssigkeit in den Innenraum vorteilhaft noch weiter erleichtert. Reibungsverluste zwischen der Rotorwelle 7 und der umgebenden Kühlflüssigkeit lNe werden durch diese nicht rotationssymmetrische Begrenzungsform zwar etwas vergrößert, aber bei einer stromlinienartigen Formgebung der Förderschaufeln 19 können solche Reibungsverluste trotzdem niedrig gehalten werden.
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In den Querschnittsansichten der drei gezeigten Beispiele sind jeweils zwei Förderschaufeln 19 mit einem sich dazwischen erstreckenden Kanal gezeigt. Es sind jedoch auch andere Ausführungen mit mehr Förderschaufeln und einer größeren Anzahl von dazwischen liegenden Öffnungen möglich. Alternativ kann schon eine einzige Öffnung in einem zusammenhängenden Querschnittsprofil, vorteilhaft mit einem stromlinienartig geformten Kanal ins Innere, ausreichen, um flüssiges Kühlmittel in den inneren Bereich einer Rotorwelle zu fördern. Auch die Form der Förderschaufeln 19 in axialer Richtung kann unterschiedlich ausfallen. Die in den 2 bis 4 gezeigten Querschnittsprofile können sich beispielsweise in axialer Richtung gerade fortsetzen. Alternativ können sie sich in der Art einer spiralartigen Schnecke fortsetzen, wobei sich das Querschnittsprofil kontinuierlich um die Rotationsachse 5 dreht. Bei einer solchen Ausführungsform kann vorteilhaft ein zusätzlicher axialer Sog in Richtung des Rotors 3 ausgebildet werden.
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5 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor 3 einer elektrischen Maschine nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist der Rotor 3 auf einer durchgehenden Rotorwelle 7 montiert. Der Rotor 3 der elektrischen Maschine kann mechanisch an weitere, hier nicht gezeigte Vorrichtungen gekoppelt sein, beispielsweise an beidseitig benachbart angeordnete Gas- und Dampfturbinen in einem Kraftwerk.
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In einem axial innenliegenden Bereich des Rotors 3 trägt die Rotorwelle 7 einen Rotorkern 47, auf dem eine supraleitende Spulenwicklung 27 zur Ausbildung eines zweipoligen Magnetfeldes angeordnet ist. Eine solche zweipolige Spulenwicklung 27 umfasst ausgeprägte, sich radial erstreckende Bereiche 27a, die zusätzlich zu den axial ausgedehnten Bereichen auch gekühlt werden müssen. Da solche radialen Bereiche 27a auf beiden axialen Seiten des Rotors angeordnet sind, wird ein Kühlsystem benötigt, das diese radialen Abschnitte auf beiden Seiten effektiv kühlen kann. Zu diesem Zweck ist der Rotor 3 des fünften Ausführungsbeispiels mit zwei Kühlvorrichtungen 41a und 41b ausgestattet. Jede dieser Kühlvorrichtungen umfasst dabei mehrere Kaltköpfe 11, wenigstens einen Kondensorraum 9 und eine Vorrichtung 43a, 43b zur Übertragung von Kühlmittel zwischen feststehenden und rotierenden Bereichen. Diese Komponenten der Kühlvorrichtungen 41a und 41b sind in 8 nur äußerst schematisch gezeigt und können für jede der beiden Vorrichtungen beispielsweise ähnlich den vorab besprochenen Ausführungsbeispielen ausgestaltet sein. Wesentlich ist, dass durch die beiden Kühlvorrichtungen 41a und 41b in beiden axialen Endbereichen 45a und 45b des Rotors Kühlmittel in den rotierenden Teil der Maschine eingekoppelt werden kann. Von diesen beiden endseitig angeordneten Übertragungsvorrichtungen 43a und 43b aus erstrecken sich wiederum zwei Sätze von Kühlrohrschleifen, die sich jeweils etwa bis zum axialen Zentrum des Rotors 3 erstrecken. Diese Kühlrohrschleifen 25 weisen jeweils ausgeprägte radiale Abschnitte 25a auf, die im Wesentlichen parallel zu den radialen Abschnitten 27a der Spulenwicklung 27 verlaufen und somit zu einer Kühlung dieser Abschnitte geeignet sind.
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Im Unterschied zu dem in 5 gezeigten Beispiel können sich die Kühlrohrschleifen 25 solcher gegenüberliegenden Kühlvorrichtungen 41a und 41b alternativ auch axial überlappen und/oder die einzelnen Kühlvorrichtungen können unterschiedlich und asymmetrisch ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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